張惠民++陸道綱++王園鵬++汪喆

摘 要：控制棒組件是核電站的關(guān)鍵設(shè)備之一，細(xì)長(zhǎng)控制棒在冷卻劑流動(dòng)中產(chǎn)生振動(dòng)甚至磨損變形，嚴(yán)重時(shí)將影響落棒時(shí)間，進(jìn)而影響核電站安全運(yùn)行。該文使用ANSYS軟件對(duì)上腔室下部導(dǎo)向筒內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得流場(chǎng)的流速分布，得到導(dǎo)向筒內(nèi)部的流致振動(dòng)特性，對(duì)下一步進(jìn)行控制棒流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)起到了提供了預(yù)分析和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：壓水堆 控制棒 流致振動(dòng) 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TL341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0027-03

1 引言

1.1 該研究的意義

流致振動(dòng)問(wèn)題的存在最早是由于設(shè)計(jì)的不足，因?yàn)樵诤穗娬镜淖畛踉O(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有將流致振動(dòng)問(wèn)題考慮在內(nèi)，直到后來(lái)一些較大事故的發(fā)生才使得流致振動(dòng)問(wèn)題受到廣泛的關(guān)注。其中比較著名的有：日本東海村、瑞典林哈爾斯-3核電站等的蒸汽發(fā)生器管束振動(dòng)；美國(guó)的揚(yáng)基羅等吊籃組件的熱屏蔽結(jié)構(gòu)、堆芯圍板、反應(yīng)堆內(nèi)測(cè)量通道經(jīng)常發(fā)生流致振動(dòng)引發(fā)的松動(dòng)脫落[1]等。這些因流體的激振力引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)嚴(yán)重影響了核電設(shè)備的正常有效運(yùn)行，流致振動(dòng)也成為了核電安全中的一個(gè)重要問(wèn)題。

由于控制棒的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，測(cè)量方式局限性較大，至今控制棒的流致振動(dòng)機(jī)理還是一個(gè)難題，因此，對(duì)控制棒流致振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究還很重要。

1.2 流致振動(dòng)研究現(xiàn)狀

法國(guó)和美國(guó)在蒸汽發(fā)生器換熱管流致振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究中做了大量的工作，并獲得了蒸汽發(fā)生器換熱管振動(dòng)及磨損實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，提出了換熱管在一定運(yùn)行工況下的流致振動(dòng)的特性；國(guó)內(nèi)如上海核工程研究設(shè)計(jì)院秦山核電廠壓水堆吊籃組件流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，成都核動(dòng)力院秦山核電廠（Ⅱ期）壓水堆吊籃組件流致振動(dòng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)[2-4]等。這些實(shí)驗(yàn)基本都是針對(duì)個(gè)別部件的工程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，關(guān)于流致振動(dòng)的基礎(chǔ)性研究及機(jī)理性研究在國(guó)內(nèi)尚未廣泛開(kāi)展，所以從實(shí)驗(yàn)計(jì)劃到結(jié)果分析及實(shí)堆應(yīng)用都存在一定的局限性。

針對(duì)控制棒組件流致振動(dòng)的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)就更少，法國(guó)和美國(guó)的一些研究主要是縮比模型實(shí)驗(yàn)；國(guó)內(nèi)的控制棒組件流致振動(dòng)研究也是多采用縮比模型進(jìn)行落棒過(guò)程中的阻尼[5-6]等研究。壓水堆內(nèi)上腔室中的冷卻劑流動(dòng)對(duì)懸掛狀態(tài)下的控制棒組件的流致振動(dòng)影響研究鮮見(jiàn)，而控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)的冷卻劑流動(dòng)對(duì)控制棒的振動(dòng)影響是比較顯著的，因此，探究導(dǎo)向筒內(nèi)部的流致振動(dòng)特性也極為重要。控制棒組件在懸掛狀態(tài)下的流致振動(dòng)研究能夠針對(duì)性分析流體的脈動(dòng)壓力對(duì)控制棒振動(dòng)特性的影響，而且從對(duì)數(shù)值計(jì)算的驗(yàn)證來(lái)說(shuō)，懸掛狀態(tài)下的控制棒流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)有效減小了測(cè)量難度，對(duì)于流致振動(dòng)機(jī)理的研究很有幫助。

1.3 該文的主要研究?jī)?nèi)容

建立控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)外相關(guān)結(jié)構(gòu)模型、選取等比例長(zhǎng)度控制棒導(dǎo)向筒模型進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)壓水堆核電站運(yùn)行工況，選取合理的上腔室內(nèi)冷卻劑流動(dòng)參數(shù)作為邊界條件。使用ANSYS軟件計(jì)算控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)外部流場(chǎng)的流速及壓力分布情況，模擬改變橫向流和縱向流流量時(shí)控制棒組件周圍流場(chǎng)的工況，得出流場(chǎng)的變化及對(duì)控制棒流致振動(dòng)的影響。為后續(xù)搭建等比例模型實(shí)驗(yàn)做預(yù)分析基礎(chǔ)。

該文工作對(duì)前述研究現(xiàn)狀的彌補(bǔ)：前人很少做過(guò)控制棒導(dǎo)向筒周圍流場(chǎng)和控制棒的流致振動(dòng)研究，都是計(jì)算方法的研究比較多。而且全尺寸控制棒的研究比較少。該文選取等比例長(zhǎng)度建立控制棒組件和導(dǎo)向筒模型，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头狭髦抡駝?dòng)實(shí)驗(yàn)的相似定律，斯特羅哈數(shù)滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)比要求。

2 理論與方法

2.1 數(shù)值模擬的方法

關(guān)于流致振動(dòng)計(jì)算的數(shù)值模擬方法主要有兩類：即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃椭苯恿鲌?chǎng)模擬。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ú豢紤]具體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，將流體及其中的振蕩物體視作一個(gè)整體系統(tǒng)，然后用一組適宜的模型方程對(duì)其進(jìn)行描述，以便求解后可以較好地再現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。直接流場(chǎng)模擬包括直接求解N-S方程的各種差分法、有限元法、譜方法和基于邊界層方程的各種正、反解法以及粘性、無(wú)粘性干擾方法等。在流場(chǎng)計(jì)算中，應(yīng)用較多的為渦方法和有限差分解法。直接流場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有比較好的一致性，該文采用直接流場(chǎng)模擬方法。

2.2 模型和方程

該文中的流體為水，采用LES（Large Eddy Simulation，大渦模擬）對(duì)湍流流場(chǎng)進(jìn)行求解[7]。得到大渦的控制方程：

（1）

（2）

3 建模與計(jì)算分析

該文采用數(shù)值模擬分析，使用ANSYS軟件對(duì)懸掛在導(dǎo)向筒內(nèi)部的控制棒流致振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析。首先使用Solidworks建立上腔室、控制棒導(dǎo)向筒、控制棒及流體模型，再使用workbench 平臺(tái)進(jìn)行CFX和流固耦合模擬，最后分析結(jié)果得到對(duì)實(shí)驗(yàn)較為有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

3.1 模型的簡(jiǎn)化

在流致振動(dòng)分析中，模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且模型尺寸比較大，如果完全按照模型進(jìn)行建模，后期的網(wǎng)格劃分和計(jì)算都將是巨大的工作量，并且很難得到計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖1。在該文研究之前已經(jīng)做過(guò)簡(jiǎn)化的上腔室流場(chǎng)模擬，得到的結(jié)果靠近冷卻劑出口處的流場(chǎng)較為紊亂，流體的脈動(dòng)壓力較大，是流致振動(dòng)應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注的部分。

控制棒導(dǎo)向筒內(nèi)的多層導(dǎo)向板和連續(xù)導(dǎo)向段等結(jié)構(gòu)，與控制棒的間隙很小，控制棒的流致振動(dòng)受導(dǎo)向筒外部流場(chǎng)的分布影響比較小?？刂瓢魧?dǎo)向筒上部流場(chǎng)較下部更為穩(wěn)定。因此，該文選取單根控制棒下部導(dǎo)向筒周圍流場(chǎng)作為重點(diǎn)觀測(cè)部位。改變橫向流和縱向流入口流量，模擬流致振動(dòng)現(xiàn)象。使用Solidworks進(jìn)行簡(jiǎn)化模型建立，見(jiàn)圖2。

3.2 網(wǎng)格的劃分及計(jì)算

將建好的模型導(dǎo)入ANSYS workbench中，進(jìn)行流體和結(jié)構(gòu)體的布爾計(jì)算，建立合理有效的實(shí)體模型。進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該文計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)1 082 422個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)268 544。最小尺寸1.2459e-003 m，最大0.249 m。在具體的操作中，本文先對(duì)流體的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，后對(duì)控制棒結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖3。先用CFX計(jì)算出進(jìn)出口流量改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的流體速度和脈動(dòng)壓力分布。橫向流與縱向流均選取200 t/h時(shí)的速度分布圖見(jiàn)圖4。然后將CFX計(jì)算出的最大脈動(dòng)壓力分布作為控制棒結(jié)構(gòu)單元的輸入載荷，計(jì)算得出流體作用下，控制棒的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

使用上述同樣方式，更換橫向流和縱向流的進(jìn)口流量，模擬多種工況下的流致振動(dòng)。對(duì)比多種工況下的控制棒導(dǎo)向筒附近冷卻劑流場(chǎng)的流速，獲得流體攪渾最為劇烈的區(qū)域。觀察橫向流和縱向流的改變對(duì)控制棒振動(dòng)位移的影響，獲得橫向流和縱向流對(duì)振動(dòng)的影響特性。

4 結(jié)論與展望

該文探究了懸掛狀態(tài)下控制棒在冷卻劑流場(chǎng)中的流致振動(dòng)特性，著重模擬了進(jìn)出口即橫向流和縱向流流量改變條件下的控制棒振動(dòng)特性，其中涵蓋了實(shí)堆流場(chǎng)中控制棒的流致振動(dòng)工況。通過(guò)模擬計(jì)算，找出振動(dòng)最大的部分下階段重點(diǎn)研究。

其中模擬結(jié)果顯示，在流場(chǎng)變化中，橫向流的流量改變對(duì)控制棒振動(dòng)特性的影響較為顯著，縱向流對(duì)流致振動(dòng)的影響小于橫向流；控制棒下端的振動(dòng)較上部更為顯著，導(dǎo)向筒下部流水口附近的振動(dòng)響應(yīng)最為劇烈。這些結(jié)論對(duì)于該文作者下一階段的控制棒流致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析都提供了重要基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步研究流場(chǎng)對(duì)振動(dòng)的影響提供了一定指導(dǎo)。

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